第一次總攻（6.22-7.2）：日軍集中飛機、重炮轟炸，使用大量燃燒彈和毒氣彈。
第 10 軍官兵頑強抵抗，張家山陣地反覆爭奪 20 餘次。
日軍第 68 師團長佐久間為人中將被炸成重傷，參謀長原田貞三郎大佐陣亡。
7 月 2 日，日軍被迫中止第一次總攻，傷亡超過 1.6 萬人。
第二次總攻（7.11-8.1）：日軍得到第 58 師團增援後發起第二次總攻，改變戰術集中攻擊一點。
五桂嶺、虎形巢等陣地反覆易手，中國軍隊連排級幹部幾乎全部打光。
戰至 8 月 1 日，日軍第二次總攻再次受挫，傷亡累計超過 3 萬人。
第三次總攻與城破（8.2-8.8）：8 月 2 日，日軍集中全部兵力發起第三次總攻。
此時，第 10 軍能參戰的官兵僅剩 2000 餘人，彈藥、糧食、藥品完全耗盡，外圍 10 萬援軍因日軍層層阻擊和內部矛盾始終未能突破防線。
8 月 7 日，方先覺向重慶發出最後一電：“敵人今晨由城北突入以後，即在城內展開巷戰，我官兵傷亡殆盡，刻再無兵可資堵擊。
職等誓以一死報黨國，勉盡軍人天職，決不負鈞座平生作育之至意，此電恐為最後一電，來生再見。”
8 月 8 日凌晨，為保護城內 7000 餘名傷兵和百姓的生命安全，方先覺與日軍談判停火，衡陽城宣告失守。
衡陽保衛戰是中國抗戰史上最慘烈的城市保衛戰，第 10 軍以傷亡 1.5 萬餘人的代價，斃傷日軍約 6 萬人，堅守衡陽 47 天，徹底粉碎了日軍 “3 天拿下衡陽、7 天打通西南交通線” 的狂妄計劃。
此戰首接導致日本首相東條英機於 1944 年 7 月 18 日下臺，加速了日本法西斯的滅亡。
衡陽失守後，日軍繼續向南推進，先後攻佔耒陽、郴州等地。
9 月 8 日，日軍佔領零陵，長衡會戰結束。
此役，中國軍隊傷亡約 15-20 萬人，日軍傷亡約 6-8 萬人。
戰役第三階段為桂柳會戰。
桂柳會戰是豫湘桂戰役的最後階段，日軍以 “打通湘桂鐵路、連線越南佔領區” 為目標，集中第 11 軍、第 23 軍約 16 萬兵力，從湖南、廣東、越南三路進攻廣西。
中國第西戰區司令長官張發奎指揮約 12 萬兵力防禦，但兵力空虛、指揮混亂，最終導致廣西全境淪陷，日軍一度威脅陪都重慶。
8 月 29 日，日軍第 11 軍從湖南衡陽沿湘桂鐵路南下；
9 月 6 日，日軍第 23 軍從廣東清遠沿西江西進；
同時，日軍第 21 師團從越南北上，形成三路夾擊廣西之勢。
11 月 4 日，日軍對桂林發起總攻。
中國守軍第 31 軍 131 師等部約 2 萬餘人堅守桂林，與日軍展開激烈巷戰。
11 月 9 日，日軍使用毒氣彈攻擊，守軍傷亡慘重。
11 月 10 日，桂林城破，第 131 師師長闞維雍自殺殉國，城防司令部參謀長陳繼桓、第 31 軍參謀長呂旃蒙等將領壯烈犧牲。
桂林失守的同一天，柳州守軍第 26 軍軍長丁治磐不戰而逃，日軍兵不血刃佔領柳州。
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